Лабораторное исследование взаимодействия ветра и волн в штормовых условиях

• Автор: Кандауров, Александр Андреевич
• Шифр специальности: 25.00.29
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 154 с. : ил.

Оглавление
Введение
Глава 1. Исследования турбулентного переноса в приводном пограничном слое атмосферы при сильном и ураганном ветре (Литературный обзор)
1.1 Введение
1.2 Классификация условий, при которых наблюдается штормовой ветер
1.2.1 Шкалы тропических циклонов
1.2.2 Тропические циклоны
1.2.3 Внетропические проникновения
1.2.4 Квазитропические циклоны умеренных широт (медиканы)
1.2.5 Сильный ветер в высоких широтах
1.3 Основные определения в теории турбулентного переноса в приземном пограничном слое над водной поверхностью
1.4 Зависимость коэффициента сопротивления от скорости ветра при слабых, умеренных и сильных ветрах
1.5 Особенности аэродинамического сопротивления поверхности моря при ураганном ветре
1.5.1 Модель тропического урагана как тепловой машины
1.5.2 Экспериментальные данные об аэродинамическом сопротивлении поверхности океана при ураганном ветре
1.6 Возможные механизмы снижения аэродинамического сопротивления поверхности моря при экстремальных ветрах
1.7 Исследование особенностей ветрового потока над взволнованной водной поверхностью в лабораторных условиях
1.8 Метод цифровой оптической анемометрии (PIV) при лабораторном моделировании ветро-волнового взаимодействия
1.9 Заключение
Глава 2. Исследование ветро-волнового взаимодействия при ураганных условиях контактными методами в лабораторных условиях
2.1 Введение. О возможности моделировать условия ураганного ветра над морем в лабораторных условиях
2.2 Описание экспериментальной установки
2.3 Исследование параметров ветрового потока
2.3.1 Термоанемометр
2.3.2 Трубки Пито
2.3.3 Особенности метода профилирования при измерении коэффициента сопротивления в аэродинамических каналах
2.4 Исследование характеристик поверхностных волн
2.4.1 Струнные волнографы
2.4.2 Методика обработки данных с волнографов: Fourier Directional Method
2.5 Теоретическая модель аэродинамического сопротивления поверхности воды
2.6 Заключение
Глава 3. Использование лазерно-оптических методов для исследования геофизических
течений
3.1 Введение

3.2 Оптические методы определения поверхности раздела воды и воздуха
3.3 Исследование поля возвышения поверхности воды лазерно-оптическим методом .
3.3.1 Описание аппаратной части системы и особенностей получения видеоизображений поверхностных волн
3.3.2 Описание алгоритмов обработки видеоизображений волн, поиска границы поверхности
3.3.3 Результаты измерений формы поверхности воды лазерно-оптическим методом
3.4 Исследование всплывающих в стратифицированной жидкости струй лазернооптическими методами
3.4.1 Постановка задачи
3.4.2 Использование метода Particle Image Velocimetry при исследовании всплывающих струй
3.4.3 Исследование полей скорости
3.4.4 Эксперименты в малом бассейне с солевой стратифшкацией
3.4.5 Моделирование всплывающих струй в большом термостратифицированном бассейне
3.5 Заключение
Глава 4. Исследование ветро-волнового взаимодействия при ураганных условиях
бесконтактными методами
4.1 Введение
4.2 Экспериментальная установка и техника эксперимента
4.3 Обработка экспериментальных данных
4.3.1 Определения формы границы раздела вода-воздух
4.3.2 Определение скорости воздушного потока методом РГ/
4.3.3 Нахождение средних полей скорости
4.4 Результаты
4.4.1 Средние поля скорости
4.4.2 Профили средней скорости ветра
4.4.3 Нахождение коэффициента аэродинамического сопротивления, сравнение с имеющимися данными
4.5 Заключение
Заключение
Список литературы
Список публикаций автора по теме диссертации

Введение
Взаимодействие ветра и поверхностного волнения является важнейшим фактором, определяющим обмен импульсом, теплом, влагой и энергией между атмосферой и океаном. Наибольший интерес в последнее время вызывает изучение особенностей такого обмена при сильном и ураганном ветре. Это обусловлено, прежде всего, практической важностью этой проблемы, поскольку турбулентные потоки на границе океан-атмосфера в значительной степени определяют развитие штормов, формирующихся над океаном, и от корректности их моделирования зависит точность прогноза их развития. Негативное воздействие от таких штормов, формирующихся над океаном, испытывает более половины населения Земли, около 3,2 миллиарда человек, живущих в 200-километровой (120 мильной) прибрежной полосе [1]. Самыми опасными морскими погодными системами являются тропические циклоны, в которых скорость ветра может превышать 70 м/с (пятая категория по классификации Саффира-Симпсона [2]). Среднегодовое число тропических циклонов на планете за последние 50 лет практические не меняется и составляет 83,2. Этот баланс достигается за счет того, что с 90-х годов 20 века возрастает число тропических циклонов в северной части Атлантического океана, и снижается число тайфунов в Тихом океане [3].
Тропические циклоны возникают и развиваются над океанами главным образом в тропической зоне, между 5 и 20 градусами широты, и их действие проявляется преимущественно в тропической зоне. Они, однако, могут оказывать значительное влияние на погоду умеренных и субтропических зон вследствие внетропического проникновения тропических циклонов. Наиболее разрушительным за последнее время ураганом такого типа стал супер-шторм «Sandy», обрушившийся на восточное побережье США в конце октября 2012 г. и приведший к гибели около 200 человек и ущербу более 80 млрд долларов [4]. С внетропическим проникновением тропических циклонов связаны сильные шторма в Дальневосточных морях России [5].
Интенсивные, быстро развивающиеся атмосферные вихри, сходные с тропическими циклонами по механизмам формирования и некоторым морфологическим признакам (теплое ядро, глубокая конвекция), называемые полярными ураганами, наблюдаются в высоких широтах. Они часто наблюдаются при холодных вторжениях в западном секторе Арктики и на Дальнем Востоке. Скорость ветра в полярных ураганах достигает 35-40 м/с, представляя угрозу для судоходства и нефтедобычи на шельфе [6]. Так называемые «квазитропические» циклоны могут наблюдаться и в умеренных широтах. К ним относятся «меднканы», которые наблюдаются в Средиземном море при

U10 Neutral (m/s)
Рис. 1.8.
Зависимости коэффициента сопротивления от скорости ветра в различных секторах урагана: (а) - правый сектор урагана (20-150 градусов), (б) — задний сектор (151-240 градусов), (в) - передний сектор (241-020 градусов) [99].
Подобные зависимости коэффициента сопротивления поверхности от скорости ветра также были получены на основе измерений океанских течений, вызванных тропическим циклоном «Ivan» [16]. В работе сообщается, что 15 сентября 2004 г. центр урагана прошел прямо через мореографы и измерители скорости течений на внешнеконтинентальном шельфе на северо-востоке Мексиканского залива. Был проведен анализ